[论文解读] Observation of two non-thermal fixed points for the same microscopic symmetry

Stefan Lannig, Maximilian Prüfer+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

本研究通过两种不同的初始条件——极化态和旋转激发态——在具有相同微观对称性的单一自旋子玻色-爱因斯坦凝聚体中，首次实验展示了两个不同的非热固定点（NTFPs）。利用对复数序参量的空间分辨测量，作者观察到具有不同指数的独特普适标度动力学，证实了尽管哈密顿量相同，但非热固定点仍存在独立的吸引域。

ABSTRACT

Close to equilibrium, the underlying symmetries of a system determine its possible universal behavior. Far from equilibrium, however, different universal phenomena associated with the existence of multiple non-thermal fixed points can be realized for given microscopic symmetries. Here, we study this phenomenon using a quasi-one-dimensional spinor Bose-Einstein condensate. We prepare two different initial conditions and observe two distinct universal scaling dynamics with different exponents. Measurements of the complex-valued order parameter with spatial resolution allow us to characterize the phase-amplitude excitations for the two scenarios. Our study provides new insights into the phenomenon of universal dynamics far from equilibrium and opens a path towards mapping out the associated basins of non-thermal fixed points.

研究动机与目标

• 研究在远离平衡的量子系统中，相同的微观哈密顿量是否可导致多个非热固定点（NTFPs）共存。
• 探讨非热固定点是否存在不同的吸引域，其特征为不同初始条件导致不同的普适标度行为。
• 通过空间分辨的复数序参量测量，表征每个非热固定点相关的相位-振幅激发。
• 在受控初始条件下，验证准一维自旋子玻色-爱因斯坦凝聚体中标度动力学的普适性。
• 绘制从初始态到由不同普适指数主导的自相似标度行为的转变过程。

提出的方法

• 利用红失谐的光镊阱与蓝失谐的端盖，制备准一维盒势中的 87Rb 自旋子玻色-爱因斯坦凝聚体。
• 实施两种不同的初始条件：一种为极化初始条件（另一相的基态），另一种为通过微波缀饰实现局域自旋旋转的旋转初始条件。
• 将二次塞曼位移淬火至相同值（q = 0.9n|c₁|），以从两种初始态启动普适动力学。
• 利用吸收成像与斯特恩-盖拉赫分离技术，对复数自旋子序参量进行空间分辨测量，以提取相位与振幅涨落。
• 将实验数据与周期性边界条件下自旋-1格罗斯-皮梯夫斯基方程的截断-维格纳模拟进行比较。
• 通过幂律拟合与重标度程序，在动量空间与实空间分析结构因子与互相关函数，以提取普适标度指数 α 与 β。

Figure 1: Schematic representation of the equilibration of a many-body system starting from different initial conditions. During this evolution a transient period of slow self-similar behavior in the vicinity of a NTFP may occur. The associated basins are defined by the set of initial conditions whi

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同初始条件下，相同的微观哈密顿量是否可导致多个非热固定点的出现？
• RQ2 在远离平衡的量子系统中，不同初始态的动力学是否由不同的普适标度指数与标度函数表征？
• RQ3 初始激发结构（如局域自旋旋转）在决定非热固定点的吸引域中起何种作用？
• RQ4 在自旋子凝聚体中，两种不同非热固定点情景下的相位与振幅激发有何差异？
• RQ5 基于格罗斯-皮梯夫斯基方程的数值模拟在多大程度上能再现实验中的标度行为与自旋激发结构？

主要发现

• 在具有相同微观对称性的同一系统中，观察到两个不同的非热固定点，分别对应于极化初始条件与旋转初始条件。
• 极化初始条件导致标度指数为 α = 0.25 ± 0.04 与 β = 0.26 ± 0.04 的普适标度行为，其特征为相位激发与恒定的横向自旋长度。
• 旋转初始条件表现出另一组标度指数，具有增强的横向自旋涨落，且时间无关的标度函数 fₛ 显示出大平台，这归因于 Bogoliubov 不稳定性。
• 数值截断-维格纳模拟与实验数据定性一致，证实了两种情形下均出现自相似标度。
• 重标度程序对旋转初始条件得到幂律指数 ζ = 2.002 ± 0.005，证实了自相似区域中存在普适标度函数。
• 实验与模拟在 Δx = 0 处的互相关器振幅均表现出一致的幂律衰减，验证了标度动力学的普适性。

Figure 2: Time evolution from two different initial conditions (ICs) after quenching the control parameter $q$ . (a) Quasi-one-dimensional BEC in a box potential (at the start of the evolution at $t=0$ ) formed by an elongated dipole trap with repulsive walls. (b) The relevant energy difference $q$